Τι είναι η σκέδαση Rayleigh: Διασκορπισμός του φωτός και απώλειες

Ο Λόρδος Rayleigh (12 Νοεμβρίου 1842) ανακαλύφθηκε ότι διασκορπίστηκε το rayleigh. Γνωρίζουμε το φαινόμενο του φωτός που είναι αντανάκλαση και διάθλαση . Τα σωματίδια στην ατμόσφαιρα ονομάζονται διασπορά επειδή όταν το φως εισέρχεται στην ατμόσφαιρα τότε αυτά τα σωματίδια θα διασκορπιστούν σε φώτα. Αυτό το φαινόμενο διάθλασης μπορεί να χαρακτηριστεί ως σκέδαση του φωτός. Υπάρχουν δύο τύποι σκέδασης όπως ελαστικό και μη ελαστικό. Οι ακτίνες rayleigh, Mie και non-selective είναι ελαστικές και οι Brillou, Raman, In-rubber X-ray, Compton είναι οι ελαστικές σκέδασεις. Σε αυτό το άρθρο, συζητείται εν συντομία ένας τύπος ελαστικής σκέδασης, δηλαδή η Rayleigh.

Τι είναι το Rayleigh Scattering;

Ορισμός: Το rayleigh είναι η διασπορά των μορίων από το αέριο στην ατμόσφαιρα της γης. Η αντοχή σκέδασης εξαρτάται από το μήκος κύματος του φωτός και επίσης από το μέγεθος των σωματιδίων. Λόγω των παραλλαγών της σύνθεσης, προκαλείται η ακτίνα ή η γραμμική σκέδαση.

Διασπορά του Φωτός

Έχουμε περάσει μερικά θαυμάσια φαινόμενα στην καθημερινή μας ζωή, όπως το μπλε χρώμα του ουρανού, το χρώμα του νερού στη βαθιά θάλασσα, η κοκκινίλα του ήλιου κατά την ανατολή και το ηλιοβασίλεμα κ.λπ. Όταν πέφτει μια ακτίνα φωτός ένα άτομο προκαλεί τη δόνηση του ηλεκτρονίου στο άτομο. Τα δονούμενα ηλεκτρόνια, με τη σειρά τους, εκπέμπει ξανά το φως προς όλες τις κατευθύνσεις και αυτή η διαδικασία ονομάζεται σκέδαση.

Η γήινη ατμόσφαιρα περιέχει μόρια αέρα και άλλα μικροσκοπικά σωματίδια όταν το φως από τον ήλιο περνά μέσα από την ατμόσφαιρα, διασκορπίζεται από μεγάλο αριθμό σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. Σύμφωνα με τον νόμο σκέδασης Rayleigh (RSL), η ένταση του φωτός σκέδασης ποικίλλει αντίστροφα ως το τέταρτο μέρος του μήκους κύματος του ύψους (1 / h⁴). Σε σύγκριση με τα μεγαλύτερα μήκη κύματος, τα μικρότερα μήκη κύματος είναι διασκορπισμένα περισσότερο. Το γραμμικό διάγραμμα σκέδασης φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Rayleigh σκέδαση

Σύμφωνα με το RSL, το μπλε έγχρωμο φως διασκορπίζεται περισσότερο από το κόκκινο φως γιατί, για αυτόν τον λόγο, ο ουρανός εμφανίζεται με μπλε χρώμα. Κατά την ανατολή και τον ήλιο, οι ακτίνες του ήλιου ταξιδεύουν σε μεγάλο μέρος της ατμόσφαιρας. Επομένως, το μεγαλύτερο μέρος του μπλε φωτός διασκορπίζεται και μόνο το κόκκινο φως φτάνει στον παρατηρητή. Εξ ου και ο ήλιος εμφανίζεται κόκκινος στο φως του ήλιου και στο ηλιοβασίλεμα.

Στην περίπτωση σκέδασης φωτός, σχεδόν όλο το φως σκέδασης παρατηρείται στην ίδια συχνότητα με την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ελαστική ή γραμμική σκέδαση, ωστόσο, ο μεγάλος Ινδός γιατρός Dr.C.V.Raman παρατήρησε ότι η σκέδαση του φωτός έχει διακριτές συχνότητες πάνω και κάτω από τη συχνότητα προσβολής το 1928. Οι εφαρμογές του rayleigh ή γραμμικού τύπου είναι να ασχοληθούμε (ανίχνευση φωτός και εύρος), ραντάρ καιρού κ.λπ.

Απώλειες σκέδασης Rayleigh

Οι απώλειες σκέδασης υπάρχουν σε οπτικές ίνες λόγω μικροσκοπικής διακύμανσης στην πυκνότητα του υλικού και στη σύνθεση. Καθώς το γυαλί αποτελείται από τυχαία συνδεδεμένα δίκτυα σε μοριακά και διάφορα οξείδια όπως το οξείδιο του πυριτίου, το GeO_δύοΑυτά είναι η κύρια χρήση της διακύμανσης της δομής της σύνθεσης, αυτά τα δύο αποτελέσματα έχουν ως αποτέλεσμα τη διακύμανση του διαθλαστικού και του τύπου διάχυσης του φωτός.

Η σκέδαση ανάβει λόγω μικρών τοπικών αλλαγών στον δείκτη διάθλασης του πυρήνα και του υλικού επένδυσης. Αυτές είναι οι δύο αιτίες κατά την κατασκευή ινών. Η πρώτη οφείλεται στη μικρή διακύμανση της ανάμιξης των συστατικών και η άλλη αιτία είναι μια μικρή αλλαγή στην πυκνότητα καθώς στερεοποιείται. Το παρακάτω σχήμα δείχνει γραφικά τη σχέση μεταξύ μήκους κύματος και απώλειας σκέδασης.

Απώλειες

Όταν μια ακτίνα φωτός χτυπά τέτοιες ζώνες, διασκορπίζεται προς όλες τις κατευθύνσεις, η απώλεια σκέδασης για ένα μόνο γυαλί δίνεται από

Α_Στρίβε= 8π³/ 3λ⁴(ν^δύο- 1)^δύοΠΡΟΣ ΤΗΝ_σιΤ_φάσι_Τ

Όπου n = δείκτης διάθλασης

ΠΡΟΣ ΤΗΝ_σι= Η σταθερά του Boltzman

σι_Τ= Ισοθερμική συμπιεσιμότητα

Τ_φά= Θερμοκρασία τριβής
Με βάση την παράμετρο μεγέθους χωρίς διάσταση, η σκέδαση του φωτός χωρίζεται σε τρεις τομείς και ορίζεται ως

Α = πDp / λ

Όπου Dp = Περιφέρεια σωματιδίου

λ = Ακτινοβολία μήκους κύματος περιστατικών

Το Rayleigh είναι ανάλογο με τα και τα P (r), A (r) και r. Η μαθηματική έκφραση δίνεται από

α= α_Ρ+ α_ΣΤΟ+α_ΟΗ+α_IR+α_UV+α_ΣΤΟ

Where α_Ρ= RSL

α_ΣΤΟ= Απώλεια ατέλειας

α_ΟΗ= Απώλεια απορρόφησης

α_IR= Απώλεια απορρόφησης υπέρυθρων

α_UV= Απώλεια απορρόφησης υπεριώδους

α_ΣΤΟ= Άλλες απώλειες απορρόφησης ακαθαρσιών

Ένα α_IR(απώλεια απορρόφησης υπερύθρων) εκφράζεται μαθηματικά ως

α_IR= C exp (-D / λ)

Όπου το «C» είναι ο συντελεστής και το D εξαρτάται από τα υλικά

Η απώλεια είναι ανάλογη με το λ⁴και στα P (r), A (r) και r. Η μαθηματική έκφραση δίνεται από

α_Ρ= 1/λ⁴∫₀^{+ ∞}A (r) P (r) rdr / ∫₀^{+ ∞}Ρ (r) rdr

Όπου A (r) = Συντελεστής γραμμικής σκέδασης

P (r) = Διάδοση έντασης φωτός

«R» = Ακτινική απόσταση

Αυτή είναι η θεωρία της γραμμικής απώλειας σκέδασης.

Διαφορά μεταξύ της σκέδασης Rayleigh και της Mie

Η διαφορά μεταξύ αυτών των δύο συζητείται παρακάτω.

Η σκέδαση Rayleigh σε οπτικές ίνες

ο οπτική ίνα είναι λεπτό, εύκαμπτο και διαφανές από οπτικά καθαρό γυαλί πυριτίας και πλαστικό. Οι οπτικές ίνες είναι γρηγορότερες, αδιαπέραστες από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, δεν μπορούν να πυροδοτηθούν και η απώλεια σήματος είναι μικρότερη. Όταν μια ακτίνα φωτός που μεταφέρει σήματα ταξιδεύει από τις οπτικές ίνες, τότε η ισχύς του φωτός μειώνεται, αυτή η απώλεια ισχύος φωτός ονομάζεται γενικά εξασθένηση. Η εξασθένηση πρέπει να αποτελεί κορυφαία προτεραιότητα για πολλούς μηχανικούς να εξετάσουν το ενδεχόμενο επιλογής και χειρισμού οπτικών ινών.

Όλα τα περισσότερα αντικείμενα διασκορπίζουν τα φώτα, αυτό σημαίνει το ανακλώμενο φως που τα φωτίζει σε όλες τις κατευθύνσεις. Η ακτινοβολία ή η γραμμική σκέδαση προκαλείται από την παρεμβολή με σωματίδια μικρότερα από το μήκος κύματος του φωτός. Το φως ταξιδεύει μέσω της ίνας αλληλεπιδρά με τα σωματίδια και μετά διασκορπίζεται προς όλες τις κατευθύνσεις, προκαλεί απώλειες ενέργειας και εξασθένηση κατά τη μετάδοση δεδομένων. Αυτή είναι η θεωρία του Rayleigh ή της γραμμικής σκέδασης σε οπτικές ίνες.

Συχνές ερωτήσεις

1). Τι προκαλεί το Rayleigh ή τη γραμμική σκέδαση;

Οι αιτίες της ακτινοβολίας ή της γραμμικής σκέδασης είναι, προκύπτει από ανομοιογένεια στην επένδυση και τον πυρήνα. Η πυκνότητα & οι συνθέσεις και οι διακυμάνσεις του δείκτη διάθλασης είναι τα προβλήματα που προκύπτουν λόγω των ανομοιογένειας.

2). Ποιος ανακάλυψε τη σκέδαση του Rayleigh;

Ο John William Strut ανακαλύφθηκε.

3). Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της σκέδασης Rayleigh και της Mie;

Στο Rayleigh ή γραμμική σκέδαση, το μέγεθος των σωματιδίων σκέδασης είναι μικρότερο από το μήκος κύματος ακτινοβολίας και στη διασπορά Mie το μέγεθος των σωματιδίων σκέδασης και το μήκος κύματος της ακτινοβολίας είναι το ίδιο.

4). Ποιοι είναι οι τρεις τύποι σκέδασης;

Οι τρεις τύποι σκέδασης είναι η ακτινοβολία, η μη επιλεκτική σκέδαση και η σκέδαση Mie.

5). Ποια είναι η αναλογία Rayleigh;

Η αναλογία rayleigh είναι μία από τις παραμέτρους που χρησιμοποιούνται για τις μετρήσεις σκέδασης φωτός.

Σε αυτό το άρθρο, μια επισκόπηση του Rayleigh Scattering ή γραμμική σκέδαση συζητούνται, σκέδαση φωτός, απώλειες σκέδασης και διαφορά μεταξύ σκέδασης Rayleigh και Mie. Εδώ είναι μια ερώτηση για ποιες είναι οι αιτίες της σκέδασης του Mie;